СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ МНОГОСЛОЙНОГО ОМИЧЕСКОГО КОНТАКТА К ПРИБОРУ НА ОСНОВЕ АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ Российский патент 2016 года по МПК H01L21/28 

Изобретение относится к области создания полупроводниковых приборов на основе полупроводников A³B⁵, в частности к изготовлению концентраторных фотоэлектрических преобразователей и приборов силовой электроники, и может использоваться в постростовых операциях по изготовлению омических контактных систем к слоям GaAs электронной (n-типа) проводимости.

Известен способ изготовления контактной структуры к арсениду галлия (GaAs) и к твердым растворам AlGaAs с электронной проводимостью (см. патент US 5192994, МПК H01L 21/28, опубликован 9.03.1993) путем последовательного напыления слоев золота (толщиной 10-200 Å), германия (толщиной 50-200 Å), никеля (толщиной 50-200 Å) и золота (толщиной 200-1000 Å) с последующим отжигом в атмосфере азота или водорода при температуре от 350°C до 500°C; переходное сопротивление контакта после отжига составляет 5·10^-5 Ом·см² и менее.

Контакт, изготовленный известным способом, обладает недостаточно малой величиной переходного сопротивления, что может препятствовать его применению в ряде приборов, в том числе в концентраторных фотоэлектрических преобразователях и приборах силовой электроники. Известный способ не позволяет предотвратить эрозию поверхности контакта и неконтролируемый протрав границы раздела металл-полупроводник при отжиге. Кроме того, применение золота в качестве первого слоя в контактной системе может затруднить использование метода взрывной фотолитографии при изготовлении приборов на основе GaAs, так как золото обладает плохой адгезией к GaAs. Также нанесение слоя никеля с высокой точностью по толщине возможно при использовании дорогостоящих установок вакуумного напыления с электронно-лучевым распылением материалов.

Известен способ изготовления контактной структуры к GaAs и твердым растворам AlGaAs с электронной проводимостью (см. патент US 5309022, МПК H01L 21/28, опубликован 3.05.1994) путем последовательного напыления слоев никеля (толщиной 40-200 Å), германия (толщиной 150-400 Å) и золота (толщиной более 4000 Å) с последующим отжигом в течение 1-200 секунд при температуре 300-500°C в течение 1-200 секунд.

Применение Ni в качестве первого слоя к полупроводнику в контактных системах Ni-Ge-Au приводит к небольшому уменьшению контактного сопротивления по сравнению с контактными системами Au-Ge-Ni с первым слоем Au или сплава AuGe. При этом, как правило, уменьшается проплавление верхнего слоя полупроводника и улучшается морфология поверхности контакта после отжига контактов. Однако при использовании известного способа не удается существенно предотвратить эрозию поверхности полупроводника. Кроме того, для воспроизводимого нанесения слоя никеля с высокой точностью необходимо использование дорогостоящих установок с электронно-лучевым распылением.

Известен способ формирования многослойного омического контакта к GaAs и к твердым растворам AlGaAs с электронной проводимостью (см. патент US 5284798, МПК H01L 21/285, опубликован 8.02.1994) путем последовательного напыления слоев золота (толщиной 10-200 Å), германия (толщиной 50-200 Å), никеля (толщиной 50-200 Å) и золота (толщиной 200-1000 Å) с последующим отжигом при температуре 350-500°C в атмосфере инертного газа.

Применение золота в качестве первого слоя в известной контактной системе может затруднить использование метода взрывной фотолитографии при изготовлении электронных приборов на основе GaAs из-за плохой адгезии золота к GaAs.

Известен способ формирования многослойного омического контакта фотоэлектрического преобразователя (см. патент US 5924002, МПК H01L 29/45, опубликован 13.07.1999), включающий нанесение на поверхность полупроводника слоев никеля (толщиной от 5 до 15 нм), олова и сплава AuGe (толщиной от 50 до 200 нм) с последующим отжигом при температуре 190-300°C. Затем наносят слои титана, платины и золота (например, слои толщинами 5 нм, 10 нм и 300 нм соответственно).

Главное преимущество известного способа - низкие температуры отжига, что является необходимым условием при изготовлении ряда приборов, таких как полупроводниковые лазеры на основе соединений A²B⁶, выращенных на подложках n-GaAs. Однако при использовании известного способа слои металла неконтролируемо и неоднородно проплавляют границу раздела контакт-полупроводник. При вжигании также происходит сильная эрозия поверхности контакта Ni-Sn-AuGe. Для того чтобы улучшить поверхность контакта в данном способе предлагается напылять еще три слоя металла - Ti, Pt и Au, что усложняет процесс изготовления контактной структуры.

Известен способ формирования контакта к GaAs n-типа (см. заявка JP 2002025937, МПК H01L 21/28, опубликована 25.01.2002), включающий последовательное нанесение на GaAs n-типа слоев сплава AuGe (содержание Ge - 8-12 мас. %), слоя W, слоя Ni и слоя Au, при этом отношение толщин слоев Au и AuGe должно находиться в диапазоне от 1,6 до 6,6, предпочтительнее должно равняться 5.

К недостаткам известного способа можно отнести необходимость нанесения слоя вольфрама, что требует использования дополнительной оснастки, например, магнетрона постоянного тока; кроме того, отметим, что нанесение слоя никеля с высокой точностью по толщине возможно при использовании дорогостоящих установок вакуумного напыления с электронно-лучевым распылением материалов.

Известен способ изготовления структуры омического электрода на арсениде галлия (см. заявка JP 58040858, МПК H01L 21/28, опубликована 09.03.1983), включающий последовательное нанесение слоев эвтектического сплава AuGe и Ni, AuGe и Pt или AuGe, Ni и Au, вжигание полученной контактной структуры и последующее нанесение двух слоев, например, Ti или Cr толщиной 1000 Å или менее и Au или Ag.

Недостатком известного способа является сложность изготовления многослойного контакта, а именно многостадийность нанесения контактных слоев.

Известен способ формирования многослойного омического контакта для наногетероструктуры фотоэлектрического преобразователя на основе GaAs, совпадающий с заявляемым решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип (см. патент RU 2428766, МПК H01L 31/0224, опубликован 10.09.2011). Способ-прототип включает предварительное формирование на поверхности наногетероструктуры фотоэлектрического преобразователя на основе арсенида галлия электронной проводимости маски из фоторезиста, очистку свободной от маски поверхности арсенида галлия, последовательное напыление слоя эвтектического сплава золота с германием толщиной 10-100 нм, слоя никеля толщиной 10-20 нм и слоя серебра, последующее удаление фоторезиста и отжиг омического контакта.

Недостатком известного способа является необходимость точного по толщине, однородного по площади и воспроизводимого нанесения слоя никеля в многослойной структуре омического контакта - способ термического резистивного распыления никеля с вольфрамовых стержней не может удовлетворить этим требованиям, а нанесение никеля с помощью электронно-лучевого распыления или магнетронного распыления в высокочастотной плазме требует применения дорогостоящего оборудования; доменная структура никеля (никель - магнитный материал) препятствует применению для его нанесения относительно дешевых магнетронов постоянного тока. Применение контактной системы на основе эвтектического сплава AuGe и барьерного слоя Ni позволяет получить, пожалуй, наименьшее контактное сопротивление (по сравнению с другими системами), порядка 1·10^-6 Ом·см², к GaAs электронной проводимости. Однако при этом имеет место большой разброс результатов по переходному сопротивлению контакта при малейшем отклонении от заданных толщин многослойного контакта (прежде всего, слоя никеля) и режимов отжига. Также при нарушении режимов отжига (температуры и времени отжига) часто отмечается глубокий протрав верхнего слоя полупроводника и значительное ухудшение морфологии его поверхности. Тем не менее строгий контроль над толщинами наносимых слоев в процессе нанесения данной многослойной контактной системы, режимами напыления и последующего термического отжига структур позволяет добиться хорошей воспроизводимости результатов по переходному сопротивлению с приемлемыми величинами глубины залегания границы раздела контакт-полупроводник и морфологией поверхности контакта. Наибольшие трудности в технологии изготовления данной контактной системы возникают при нанесении слоя никеля, точного по толщине, однородного по площади и воспроизводимого от процесса к процессу. Ранее наиболее распространенным способом нанесения пленок никеля было термическое резистивное распыление никеля с вольфрамовых стержней. Этот способ дает плохо воспроизводимые результаты по толщине слоев никеля, кроме того, слои никеля получаются очень неоднородными по толщине, что неприемлемо при работе с полупроводниковыми пластинами большой площади. Напыление никеля с помощью электронно-лучевого распыления дает хорошие результаты по качеству слоев и по воспроизводимости, однако требует дорогостоящего оборудования.

Задачей заявляемого технического решения являлась разработка более технологичного в производственных условиях способа формирования омического контакта к приборам на основе арсенида галлия электронной проводимости, обеспечивающего к тому же точное воспроизведение заданных параметров контактных структур приборов на большой площади.

Поставленная задача решается тем, что способ формирования многослойного омического контакта включает предварительное формирование фотолитографией маски из фоторезиста на поверхности арсенида галлия, имеющего электронную проводимость, очистку свободной от маски поверхности арсенида галлия, последовательное напыление слоя эвтектического сплава золота с германием толщиной 10-100 нм, напыление с помощью магнетронного разряда постоянного тока сплава никеля с ванадием с содержанием ванадия 5-50 мас. % толщиной 5-100 нм и проводящего слоя, последующее удаление фоторезиста и отжиг контактной структуры.

В настоящем способе предлагается использовать немагнитный сплав никеля с ванадием с содержанием ванадия 5-50 мас. %, напыляемый с помощью магнетронного разряда постоянного тока. Этот выбор обусловлен тем, что наиболее технологичным методом нанесения пленок в производственных условиях является магнетронное распыление на постоянном токе, где использование магнитных мишеней затруднительно. Сплавы никеля, содержащие 5-50 мас. % ванадия, в которых отсутствует доменная структура материала, показали хорошую совместимость с методом магнетронного распыления на постоянном токе. Этот слой выполняет функцию барьерного слоя между слоем сплава золото-германий и лежащим выше проводящим слоем металла, замедляя его диффузию в полупроводник, и, тем самым, препятствуя нарушению планарности границы раздела контакт-полупроводник.

Слой чистого ванадия также можно применять в качестве барьерного слоя. Однако предпочтительнее использовать для магнетронного распыления на постоянном токе мишени из сплава никеля с ванадием с содержанием ванадия 5-50 мас. %: при содержании ванадия в сплаве менее 5 мас. % в изготавливаемой из него мишени могут содержаться фрагменты материала с доменной структурой (это во многом зависит от качества изготовления сплава), а при увеличении содержания ванадия более 50 мас. % уменьшается скорость напыления сплава (при одинаковых других параметрах проведения процесса), так, скорость распыления чистого ванадия в 5-7 раз ниже скорости распыления сплава с содержанием ванадия 5 мас. % (при одинаковых параметрах проведения процесса).

Слой сплава никеля с ванадием толщиной менее 5 нм может иметь нарушения сплошности (возникновение проколов слоя), а при слое сплава никеля с ванадием толщиной более 100 нм увеличивается переходное сопротивление контакта после его отжига. Предпочтительно наносить слои сплава никеля с ванадием толщиной от 10 до 20 нм.

Низкие значения переходного сопротивления обеспечивает слой сплава золото-германий (германий в данном случае является донорной примесью в GaAs), который создает под контактом сильнолегированную вырожденную область полупроводника после вжигания.

Очистку поверхности арсенида галлия можно осуществлять ионно-лучевым травлением.

Отжиг контактной структуры можно вести при температуре 360-380°C в течение времени от 10 секунд до нескольких минут.

Отжиг контактной структуры можно вести в потоке чистого водорода, или в потоке смеси азота и водорода, или в вакууме.

Напыление слоя сплава золото-германий и проводящего слоя осуществляют резистивным испарением или магнетронным распылением.

Проводящий слой напыляют толщиной, преимущественно, 1000-5000 нм.

Проводящий слой может быть выполнен из серебра, или золота, или алюминия.

При выполнении проводящего слоя из серебра или алюминия может быть нанесен барьерный слой из сплава никеля с ванадием с содержанием ванадия 5-50 мас. % толщиной 20-100 нм и слой золота толщиной 30-200 нм. Верхний слой золота, помимо предохранения серебра или алюминия от атмосферного воздействия, может способствовать улучшению процесса пайки токовыводов приборов.

Толщину проводящего слоя из серебра, или золота, или алюминия выбирают, прежде всего, из соображений уменьшения общего сопротивления контакта, а также стоимости контакта. Однако, кроме того, учитывают следующее: при толщине контакта менее 1000 нм затрудняется процесс пайки токовыводов приборов, кроме того, слишком большим оказывается сопротивление растекания контакта, а при толщинах контакта более 5000 нм могут возникнуть напряженные слои, вследствие чего ухудшается адгезия контактной структуры к полупроводнику и его отслаивание.

Напыление слоя сплава никеля с ванадием можно осуществлять магнетронным распылением на постоянном токе в атмосфере аргона или, например, криптона.

Воспроизводимое формирование контакта с малым переходным сопротивлением (менее 5·10^-5 Ом·см²) достигается, во-первых, применением в качестве первого слоя эвтектического сплава Au-Ge (весовое соотношение 88:12), содержащего Ge, являющегося донорной примесью в GaAs, для создания под контактом сильнолегированной вырожденной области полупроводника после вжигания. Во-вторых, применением в качестве второго слоя сплава никеля с ванадием, воспроизводимо наносимого магнетронным распылением на постоянном токе в атмосфере, например, аргона или криптона.

Настоящий способ формирования многослойного омического контакта осуществляют следующим образом. На слой или подложку арсенида галлия электронной проводимости методом фотолитографии наносят маску из фоторезиста. Непосредственно перед процессом напыления контактных слоев омического контакта производят очистку фронтальной поверхности арсенида галлия. Очистку поверхности арсенида галлия можно осуществлять в водном растворе HCl при объемном соотношении HCl и H₂O 1:(1-6) или ионно-лучевым травлением. Очистку поверхности арсенида галлия методом ионно-лучевого травления осуществляют на глубину 0,005-0,3 мкм. Удаление приповерхностного слоя необходимо для улучшения адгезии металла к арсениду галлия и для уменьшения переходного контактного сопротивления. При травлении на глубину меньше 0,005 мкм недостаточно эффективно происходит удаление поверхностных загрязнений и окислов, при травлении на глубину больше 0,3 мкм повышается дефектность структуры. В качестве первого слоя с легирующей примесью контакта наносят эвтектический сплав Au-Ge толщиной 10-100 нм, в качестве барьерного слоя - слой сплава никеля с ванадием с содержанием ванадия 5-50 мас. % толщиной 5-100 нм, и в качестве проводящего слоя - слой золота, или алюминия, или серебра толщиной 1000-5000 нм. Затем удаляют слой фоторезиста и проводят отжиг контактной структуры.

При отработке технологии изготовления многослойных омических контактов применялась стандартная методика измерения переходного сопротивления контактов TLM (transmission line method) с использованием набора одинаковых прямоугольных контактных площадок, расположенных параллельно друг другу на различных расстояниях.

Пример 1. Контакт был сформирован на слое GaAs, легированном кремнием, выращенном методом МОС-гидридной эпитаксии на полуизолирующей подложке GaAs диаметром 100 мм. Концентрация свободных носителей заряда (уровень легирования) составлял ~5·10¹⁸ см³. Перед нанесением слоев металлов многослойного омического контакта на поверхности GaAs была сформирована маска фоторезиста, и была проведена очистка поверхности структуры методом ионно-лучевого травления (удалено 100 Å поверхностного слоя). Многослойный контакт состоял из слоя сплава Au-Ge толщиной 50 нм, сплава никеля с ванадием (с содержанием ванадия 5 мас. %) толщиной 15 нм и проводящего слоя из золота толщиной 1400 нм. Разброс толщин слоя сплава никеля с ванадием по площади подложки до отжига составил 3 нм. Переходное сопротивление многослойного омического контакта после отжига многослойной контактной структуры при температурах 360°C, 370°C и 380°C в течение 30 секунд составило, соответственно, 5,3·10^-6 Ом·см², 3,1·10^-6 Ом·см² и 4,8·10^-6 Ом·см² (по методике измерения переходного сопротивления контактов TLM (transmission line method).

Пример 2. Многослойный омический контакт был сформирован на слое GaAs n-типа так же, как и в примере 1, но состоял из слоя сплава Au-Ge толщиной 10 нм, слоя из сплава никеля с ванадием (с содержанием ванадия 50 мас. %) толщиной 5 нм и проводящего слоя из серебра толщиной 1350 нм. Разброс толщин слоя сплава никеля с ванадием по площади подложки до отжига составил 2 нм. Переходное сопротивление многослойного омического контакта после отжига многослойной контактной структуры при температурах 360°C, 370°C и 380°C в течение 30 секунд составило, соответственно, 2,6·10^-5 Ом·см², 1,2·10^-5 Ом·см² и 2,1·10^-5 Ом·см² (по методике TLM).

Пример 3. Многослойный омический контакт был сформирован на слое GaAs n-типа так же, как и в примере 1, но состоял из слоя сплава Au-Ge толщиной 100 нм, слоя из сплава никеля с ванадием (с содержанием ванадия 5 мас. %) 100 нм и проводящего слоя из алюминия толщиной 1070 нм. Разброс толщин слоя сплава никеля с ванадием по площади подложки до отжига составил 4 нм. Переходное сопротивление многослойного омического контакта после отжига многослойной контактной структуры при температурах 360°C, 370°C и 380°C в течение 30 секунд составило, соответственно, 4,3·10^-5 Ом·см², 3,8·10^-5 Ом·см² и 4,8·10^-5 Ом·см² (по методике TLM).

Пример 4. Многослойный омический контакт был сформирован на слое GaAs n-типа так же, как и в примере 1, но состоял из слоя сплава Au-Ge толщиной 100 нм, слоя из сплава никеля с ванадием (с содержанием ванадия 50 мас. %) толщиной 20 нм и проводящего слоя из серебра толщиной 1270 нм. Разброс толщин слоя сплава никеля с ванадием по площади подложки до отжига составил 3 нм. Переходное сопротивление контакта после отжига многослойной контактной структуры при температурах 360°C, 370°C и 380°C в течение 30 секунд составило, соответственно, 1,6·10^-5 Ом·см², 9,1·10^-6 Ом·см² и 9,8·10^-5 Ом·см² (по методике TLM).

Изобретение относится к технологии полупроводниковых приборов. Способ формирования многослойного омического контакта включает предварительное формирование фотолитографией маски из фоторезиста на поверхности арсенида галлия электронной проводимости, очистку свободной от маски поверхности арсенида галлия, последовательное напыление слоя из эвтектического сплава золота с германием толщиной 10-100 нм, напыление с помощью магнетронного разряда постоянного тока слоя из сплава никеля с ванадием с содержанием ванадия 5-50 мас. % толщиной 5-100 нм и нанесение проводящего слоя, последующее удаление фоторезиста и отжиг контактной структуры. Способ более прост в осуществлении и обеспечивает точное воспроизведение заданных параметров контактных структур приборов на большой площади. 12 з.п. ф-лы.

1. Способ формирования многослойного омического контакта, включающий предварительное формирование фотолитографией маски из фоторезиста на поверхности арсенида галлия электронной проводимости, очистку свободной от маски поверхности арсенида галлия, последовательное напыление слоя из эвтектического сплава золота с германием толщиной 10-100 нм, напыление с помощью магнетронного разряда постоянного тока слоя из сплава никеля с ванадием с содержанием ванадия 5-50 мас. % толщиной 5-100 нм и нанесение проводящего слоя, последующее удаление фоторезиста и отжиг контактной структуры.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сплав никеля с ванадием напыляют толщиной 10-20 нм.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что очистку поверхности арсенида галлия ведут ионно-лучевым травлением.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что отжиг контактной структуры ведут при температуре 360-380ºС в течение времени от 10 с до нескольких минут.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что отжиг контактной структуры ведут в потоке чистого водорода.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что отжиг контактной структуры ведут в потоке смеси азота и водорода.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что отжиг контактной структуры ведут в вакууме.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что напыление слоя сплава золото-германий и проводящего слоя осуществляют резистивным испарением.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что напыление слоя сплава золото-германий и проводящего слоя осуществляют магнетронным распылением.

10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что проводящий слой напыляют толщиной 1000-5000 нм.

11. Способ по п. 1, отличающийся тем, что проводящий слой выполняют из золота.

12. Способ по п. 1, отличающийся тем, что проводящий слой выполняют из серебра или алюминия.

13. Способ по п. 12, отличающийся тем, что на проводящий слой напыляют барьерный слой из сплава никеля с ванадием с содержанием ванадия 5-50 мас. % толщиной 20-100 нм и слой золота толщиной 30-200 нм.